Пропорционалды миоэлектрлік басқару - Proportional myoelectric control

[1]

Табан экзоскелетінің миоэлектрлік бақылауын бейнелеу

Пропорционалды миоэлектрлік бақылау (басқа мақсаттармен қатар) роботталған төменгі қолды белсендіру үшін қолданыла алады экзоскелет. Пропорционалды миоэлектрлік басқару жүйесі а микроконтроллер немесе енгізетін компьютер электромиография (EMG) аяқтың бұлшық еттеріндегі датчиктерден сигналдар келіп түседі, содан кейін тиісті буынды белсендіреді атқарушы (-тер) EMG сигналына пропорционалды.

Фон

Роботталған экзоскелет - бұл түрі ортоз қолданады жетектер зақымдалмаған аяқ-қол буынының қозғалысына көмектесу немесе қарсы тұру; мұны электр қуатымен шатастыруға болмайды протездеу, ол жоғалған мүшені ауыстырады. Роботтандырылған төменгі аяқтың экзоскелетінің төрт мақсаты бар:[2]

  • Әдетте күштің немесе төзімділіктің жоғарылауымен айналысатын адамның өнімділігін арттыру (қараңыз) Экзоскелеттер )
  • Экзоскелет тағып жүру мүмкіндігі шектеулі адамдарға өздігінен жүру мүмкіндігін қамтамасыз етуге бағытталған ұзақ мерзімді көмек
  • Адамның қозғалуын зерттеу, бұл адамның жүйке-бұлшықет бақылауын, энергетикасын және / немесе кинематикасын жақсы түсіну үшін роботты экзоскелеттерді қолданады. қозғалыс
  • Жарақаттан кейінгі реабилитация, ол жарақаттан кейін (мысалы, инсульт, жұлынның зақымдануы немесе басқа жүйке аурулары сияқты) жаттығулар кезінде экзоскелет тағу арқылы қалпына келтіруге көмектесу үшін арналған экзоскелет

Төменгі аяқтың роботты экзоскелеттерін бірнеше әдіспен басқаруға болады, оның ішінде аяқ қосқышы (аяқтың төменгі жағына бекітілген қысым датчигі), жүру фазасын бағалау (жүрудің ағымдағы фазасын анықтау үшін буын бұрыштарын қолдану) және миоэлектрлік басқару (қолдану электромиография ).[2][3] Бұл мақала миоэлектрлік басқаруға бағытталған.

Бақылау әдістері

Терінің сенсорлары анықтайды электромиография (EMG) аяқ киімнің бұлшық еттерінен сигналдар. ЭМГ сигналдарын экзоскелеттің түріне және қанша буынның қозғалуына байланысты бір немесе бірнеше бұлшықеттен өлшеуге болады. Әрбір өлшенген сигнал контроллерге жіберіледі, ол бортта болады микроконтроллер (экзоскелетке орнатылған) немесе жақын орналасқан компьютерге. Борттық микроконтроллерлер ұзақ мерзімді көмекші құралдар үшін пайдаланылады, өйткені экзоскелет киген кезде әр түрлі жерлерде жүру мүмкіндігі болуы керек, ал экзоскелетпен тасымалданбайтын компьютерлер терапевтік немесе зерттеу мақсаттарында пайдаланылуы мүмкін, өйткені киген адамға өте жүруге тура келмейді. клиникалық немесе зертханалық ортада.

Контроллер сүзіледі шу EMG сигналдарынан, содан кейін қалыпқа келеді оларды бұлшықетті белсендіру үлгісін жақсы талдау үшін. Бұлшықеттің нормаланған ЭМГ мәні оның активтену пайызын білдіреді, өйткені ЭМГ сигналы оны бұлшықет үшін пайда болатын максималды оқулыққа бөлу арқылы қалыпқа келтіріледі. ЭМГ максималды көрсеткіші бұлшықет толығымен жиырылған кезде пайда болады. Қалыпқа келтірудің балама әдісі - жетектің қуатын ЭМГ сигналына пропорционалды түрде ең төменгі іске қосу шегі мен жоғарғы деңгей арасындағы сәйкестендіру. қанықтылық деңгей.

Тура пропорционалды миоэлектрлік басқару

Пропорционалды миоэлектрлік реттегіштің көмегімен атқарушы механизмге жіберілетін қуат бұлшықеттен нормаланған ЭМГ сигналының амплитудасына пропорционалды.[4] Бұлшықет белсенді болмаған кезде, басқарушы контроллерден қуат алмайды, ал бұлшықет толығымен жиырылған кезде, жетекші басқаратын буынға қатысты максималды айналу моментін шығарады. Мысалы, аяғымен жүретін орфоз (AFO ) пневматикалық құрал қолдануы мүмкін жасанды бұлшықет қамтамасыз ету өсімдік майыстыруы белсендіру деңгейіне пропорционалды момент soleus (балтыр бұлшықеттерінің бірі). Бұл бақылау әдісі экзоскелетті пайдаланушының биологиялық бұлшықеттері сияқты жүйке жолдарымен басқаруға мүмкіндік береді және адамдарға басқа бақылау әдістеріне қарағанда қалыпты жүріспен жүруге мүмкіндік беретіні дәлелденген, мысалы, аяқ ауыстырғышты қолдану.[5]Роботталған төменгі аяқ экзоскелеттерінің пропорционалды миоэлектрлік бақылауының басқа басқару әдістеріне қарағанда артықшылығы бар, мысалы:

  • Оның физиологиялық табиғаты экзоскелеттің механикалық көмегінің масштабын тиімді түрде анықтауға мүмкіндік береді[6]
  • Бұл бұлшықет биологиялық рекрутингінің төмендеуіне әкеледі кинематикалық негізделген басқару әдістері[5]
  • Бұл экзоскелетті басқаруды жаңа қозғалтқыш тапсырмаларына оңай бейімдеуге мүмкіндік береді[7]

Алайда пропорционалды миоэлектрлік бақылаудың басқа басқару әдістерімен салыстырғанда кемшіліктері бар, олардың ішінде:

  • Электродтардың үстіңгі интерфейсі көбінесе сенімді ЭМГ сигналын алуда қиындықтар тудыруы мүмкін[8]
  • Сәйкес шектер мен табыстарды анықтау үшін жүйе баптауды қажет етеді[9]
  • The тірек-қимыл аппараты көп синергетикалық бұлшықеттер EMG электродтары арқылы оңай қол жетімді емес[10]
  • Неврологиялық бұзылулар жүйке-бұлшықет бақылауының төмендеуіне әкелетіндіктен, кейбір адамдар миоэлектрлік бақылаумен экзоскелетті қолдануға мүмкіндік беретін жүйке бақылауының жеткіліксіз болуы мүмкін

Флексорды тежейтін пропорционалды миоэлектрлік бақылау

Тік пропорционалды бақылау экзоскелеттің әр буыны бір бағытта қозғалғанда жақсы жұмыс істейді (мысалы, пневматикалық поршень тек тізені бүгіп тұрады), бірақ екі бірлескен жетектің қарама-қарсы жұмыс жасағанда тиімділігі төмен болады (екі бағытты қозғалыс) . Бұған мысал ретінде бір пневматикалық жасанды бұлшықетті қолданатын тобық экзоскелеті бола алады дорсифлексия негізінде tibialis anterior (бұлшық еттер) ЭМГ және басқа пневматикалық жасанды бұлшықет өсімдік майыстыруы негізінде soleus (балтыр бұлшықеті) ЭМГ. Бұл екі жетектің бірлесіп белсенділенуіне алып келуі және жүруді қиындатуы мүмкін.[11] Бұл қажетсіз бірлескен активацияны түзету үшін, солеус ЭМГ белгіленген шектен жоғары болған кезде жасанды дорсифлексорлық активация тежелетін етіп, басқару схемасына ереже енгізуге болады. Флексор тежеуімен пропорционалды бақылау тікелей пропорционалды бақылауға қарағанда табиғи жүріске мүмкіндік береді; флексорды тежеу, сонымен қатар, әр буында екі бағытты жетектері бар тізе мен тобық біріктірілген экзоскелетімен зерттелушілерге оңай жүруге мүмкіндік береді.[7]

Қолданбалар

Өнімділікті арттыру

Өнімділікті арттыру адамның күші мен төзімділігі сияқты типтік қабілеттердің артуымен байланысты. Қазіргі кезде дамып келе жатқан көптеген толық денелі робот экзоскелеттері электромиографияның орнына буын моменттері мен бұрыштарына негізделген контроллерлерді қолданады. Қараңыз Экзоскелеттер.

Ұзақ мерзімді көмек

Роботтың төменгі аяғындағы экзоскелеттің бір қолданылуы - мүгедектің жүруіне көмектесу. Жұлын зақымданған, аяғы бұлшық еттері әлсіреген, кедей адамдар жүйке-бұлшықет немесе инсульт алған адамдар мұндай құрылғыны пайдаланудан пайда көруі мүмкін. Экзоскелет қамтамасыз етеді момент ЭМГ деректері буынның айналатындығын көрсететін бағыттағы қосылыс туралы. Мысалы, жоғары ЭМГ сигналдары vastus medialis (квадрицепс бұлшықеті) және төмен ЭМГ сигналдары бицепс феморисі (бұлшықет бұлшық еті) пайдаланушының аяғын созып жатқанын көрсететін еді, сондықтан экзоскелет аяқты түзетуге көмектесетін тізедегі моментті қамтамасыз етеді.

Адамның қозғалуын зерттеу

Пропорционалды миоэлектрлік басқару және роботталған экзоскелеттер онжылдықтар бойы жоғарғы аяқ-қол аппараттарында қолданылған, алайда инженерлер адамды жақсырақ түсіну үшін оларды төменгі аяқ-қол құрылғыларына қолдана бастады. биомеханика және қозғалуды нервтік бақылау.[12][13] Пропорционалды миоэлектрлік контроллері бар экзоскелетті қолдану арқылы ғалымдар инвазивті емес зерттеу әдісін қолдана алады. жүйке пластикасы бұлшықет күшін модификациялаумен байланысты (биологиялық +/- жасанды күш), сондай-ақ қозғаушы қозғалтқыштың естеліктері қалай қалыптасады.[11]

Оңалту

Роботталған төменгі аяқ-қолдың экзоскелетінде инсульт, жұлынның зақымдануы немесе басқа неврологиялық мүгедектер сияқты жарақаттардан адам қалпына келуге мүмкіндігі бар. Неврологиялық моторлы бұзылулар көбінесе бұлшықеттің ерікті амплитудасының белсенділігінің төмендеуіне әкеледі, бұзылады проприоцепция және бұлшықеттердің үйлесімсіздігі; пропорционалды миоэлектрлік бақылаумен роботталған экзоскелет бұлшықет активациясы мен проприоцептивті кері байланыс арасындағы байланысты күшейту арқылы осы үшеуін де жақсарта алады. Бұлшықет белсенділігінің салдарын арттыру арқылы экзоскелет физиологиялық тұрғыдан сенсорлық кері байланысты жақсарта алады, бұл өз кезегінде қозғалтқышты басқаруды жақсарта алады.[2] Жұлын зақымданған немесе инсульт алған адамдар жүрісті оңалту арқылы мотор қабілетін жақсарта алады,[14] жеке дене салмағын ішінара көтеруге көмектесетін үш физикалық терапевт қажет болуы мүмкін.[15] Роботталған төменгі аяқ-қолдың экзоскелеттері осы екі аймақта да көмектесе алады.

Физиологиялық жауап

The жүйке-бұлшықет жүйе мақсатты буынға ие моменттер ол серуендеу кезінде генерациялауға тырысады. Көмекші экзоскелеттер серуендеу кезінде бір немесе бірнеше аяқ буындарын қозғалту үшін қажетті моменттің бір бөлігін шығарады, бұл сау адамға сол буындарда бұлшықет моментін азайтуға және метаболизм энергиясын аз жұмсауға мүмкіндік береді. Бұлшықет моменті әр буынның айналу моментін экзоскелетсіз жүрген кездегідей ұстап тұру үшін жеткілікті түрде азаяды.[16] Әр буынның айналу моменті - бұлшықет моменті және атқарушы момент. Мүгедектер экзоскелетпен жүру кезінде бұлшықет моментінің азаюын байқайды, егер олар бар болса, өйткені олардың бұлшықеттері қалыпты жүріспен жүруге жеткіліксіз; экзоскелет олардың жүруіне қажетті қалған моментті қамтамасыз етеді.

Мысалдар

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ Конрад, Кендон Дж .; Конрад, Карен М .; Мазза, Джессика; Райли, Барт Б .; Фанк, Род; Штейн, Марк А .; Деннис, Майкл Л. (желтоқсан 2012). «GAIN-тің мінез-құлық күрделілігі шкаласының өлшемділігі, иерархиялық құрылымы, жас бойынша жалпылануы және критерийлердің негізділігі». Психологиялық бағалау. 24 (4): 913–924. дои:10.1037 / a0028196. ISSN  1939-134X. PMC  5715715. PMID  22545694.
  2. ^ а б c Феррис, Д.П. және Льюис, Калифорния: “Пропорционалды миоэлектрлік басқаруды қолдана отырып, төменгі аяғындағы робот экзоскелеттері”, IEEE EMBS 31-ші Халықаралық конференциясы, 2119–2124, 2009 ж
  3. ^ Джунг, Дж, Джанг, мен, Риенер, Р және Парк, Н: «Параплегиялық науқастарға арналған жаяу жүру ниеттерін анықтау алгоритмі, балдақтармен жүретін көмекші робот экзоскелетін қолданады», Халықаралық басқару, автоматтандыру және жүйелер журналы, 10 (5), 954–962 бб, 2012 ж
  4. ^ Феррис, Д.П., Черницки, Дж.М. және Ханнафорд, Б .: «Жасанды пневматикалық бұлшықеттермен жұмыс жасайтын аяқ-аяқ ортозы», '' Journal of Applied Biomechanics '', 21, 189-97 бб., 2005
  5. ^ а б Қабыл, С.М., Гордон, К.Е. және Феррис, Д.П .: «Аяқ-аяқтың қозғалатын ортозына қозғалмалы бейімделу бақылау әдісіне байланысты», Нейроинженерия және оңалту журналы, 4, 48-бет, 2007 ж
  6. ^ Феррис, Д.П., Савицки, Г.С. және Дейли, М.А .: «Физиологтың адамның қозғалуына арналған роботталған экзоскелеттерге көзқарасы», Гуманоидты робототехниканың халықаралық журналы, 4, 507-28 бб, 2007 ж
  7. ^ а б Савицки, Г.С. және Феррис, Д.П .: «Пневматикалық күшпен жұмыс істейтін тізе-тобық-аяқтың ортозы (КАФО) миоэлектрлік активациямен және тежелумен», Нейроинженерия және оңалту журналы, б. баспасөзде, 2009 ж
  8. ^ Parker, P, Englehart, K ​​and Hudgins, B: «Аяқ протездерін басқаруға арналған миоэлектрлік сигналдарды өңдеу», J Электромиогр Kinesiol., 16 (6), 541-48 бб, 2006 ж
  9. ^ Гордон, К.Е. және Феррис, Д.П .: «Роботталған экзоскелетпен жүруді үйрену», Биомеханика журналы, 40, 2636–44 бб, 2007 ж
  10. ^ Киннейрд, К.Р. және Феррис, Д.П .: «Роботталған тобық экзоскелетінің медиальды гастроцнемия миоэлектрлік басқаруы», IEEE Транс нервтік жүйені қалпына келтіру Eng., 17 (1), 31-37 бб, 2009 ж
  11. ^ а б Феррис, Д.П., Гордон, К.Е., Савицки, Г.С. және Питхамбаран, А .: «Пропорционалды миоэлектрлік басқаруды қолдана отырып, аяқ-аяқтың жақсартылған күшейтілген орфозы», Жүру және қалып, 23, 425-428 бб, 2006 ж
  12. ^ Скотт, Р.Н .: «Протездердің миоэлектрлік бақылауы», Физикалық медицина және оңалту мұрағаты, 47, 174–81 бб, 1966 ж
  13. ^ Рейнкенсмейер, Д.Дж., Эмкен, Дж.Л. және Крамер, СК: «Робототехника, моторлы оқыту және неврологиялық қалпына келтіру», Annu Rev Biomed Eng, 6, 497-525 бб, 2004 ж
  14. ^ Dietz, V, Wirz, M, Colombo, G and Curt, A: «Параплегиялық науқастарда жұлынның қозғалғыштық қабілеті және қалпына келуі: клиникалық және электрофизиологиялық бағалау», Электроэнцеф клиникасы нейрофизиол, 109, 140-53 бб, 1998 ж
  15. ^ Берман, А.Л. және Харкема С.Ж .: «Адамның жұлын зақымдануынан кейінгі қимыл-қозғалыс жаттығулары: бірқатар жағдайлық зерттеулер», Физикалық тер, 80, 688-700 бб, 2000 ж
  16. ^ Льюис, Калифорния және Феррис, Д.П .: «Роботталған жамбас экзоскелетімен серуендеу кезіндегі инвариантты момент үлгісі», Биомеханика журналы, 44, 789–93 бб, 2011 ж